（材料学专业论文）激光熔覆材料相容性的基础研究.pdf

学 位 论 降低熔覆层中的残余应力，但对残余应力的分布形态影响不明显。 镍基合金 wf 2 1 8 合金的凝固的温度区间为5 0 c , wf 2 0 1 合金的约为7 0 0c ;而 钻基合金wf l c - 1 1 的约为2 0 0 1c . 镍基合金的流动性较钻基合金的流动性好。 材料 的热膨胀系数为温度的函数，材料的相变将引 起它的突变扩 首次建立了移动热源多道搭接激光熔覆瞬态温度场和热应力场的三维有限元分 析 模型. 峨样上 激光作用区 域平 均升 温 速度高 达3 .0 x l 0 c i s ， 存 在热 冲击 效 应。 在 a 3钢基上熔覆 wf 2 1 8合金时，激光熔池的温度分布随着离熔覆层表面距离的增加 而下降，熔覆层表面的温度梯度明显高于熔覆层底部相应位置的温度梯度。在熔覆 层i 基体的界面附近，温度梯度却一定程度上升。多道搭接熔覆过程中，基体随着熔 覆过程的不断进行而得到预热，熔覆层的温度变化呈现脉冲特征。增大激光熔覆的 速度，熔池所能达到的最高温度降低，但温度梯度增大:熔覆层厚度对熔池附近的 温度场的分布形态影响不大。相同的工艺条件下，铁基、铜基和铝基材料上熔覆 wf 2 1 8 合金，铁基材料上熔池的温度最高，在熔覆层/ 基体涂层界面附近的温度梯度 分布特征具有明显差异，直 在 数 值 上 铁 基 材 料 大 于 其 它 两 种 基 体 。 卜 、 样 鑫 黯矶 孺 默瓷 翼 袋 霭 果证实 过程中 ，由于瞬间的热冲击作用，在试 ，沿激光扫描方向的纵向热应力 始终为拉应力 作用下萌生的 ，横向热应力则由压应力逐渐变为拉应力，裂纹主要是在纵向热应力 。对于多道搭接激光熔覆，熔覆层表层的残余应力除两侧外，中间区 域分布较为均匀，且中间区域的残余应力高于两侧的残余应力。慢速激光熔覆时， 熔覆层的纵向应力与横向应力分布曲线几乎重合;增大激光熔覆速度，应力增大， 且 应力峰移向涂层/ 基体界面。熔覆层的热应力随着厚度的增加而增大 卜. 一 ) v 在实验研究和激光熔覆热、力学过程的数值模拟分析的基础上，首次提出了激 光 熔 m k设 计 的 概 念 。 帕出 激 光 熔 覆 相 容 性 的 设 计 包 括 化 学 相 容 性 、 组 织 相 容 性 和 物 蓬 相 容 性 三 方 面 的 内 容。 提 出 了 激 光 熔 覆 相 容 性 设 计 的 参 数 指 标 为 熔 覆 层 的 热应力分布，当熔覆层中的瞬态热应力超过材料相应温度下的抗拉强度值时，裂纹 萌生的可能性很大，必须对材料或工艺进行调整。对 wf 2 1 8 合金的计算和实验结果 证明，根据激光熔覆相容性原则来设计熔覆层，能有效地防止熔覆层开裂 关 链 词 : 激 光 熔 li l/ 熔 覆 层 开 裂 忙 热 膨 胀 系 fk 残 余 应 力 非 稳 态 温 度 场 和 热 应 力 场 化学相容i t / 组织相容性丫物理相容性亏 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 abs t ract c r a c k i n g p r o b l e m i s t h e m o s t i m p o r t a n t r e a s o n t o r e t a r d t h e i n d u s t ry e m p l o y i n g o f l a s e r - c l a d d i n g t e c h n i q u e . ma n y m a t e r i a l s s c i e n t i s t s h a v e d o n e a l o t w o r k f o r i t a n d g o t m a n y a c h i e v e m e n t s . c r a c k i n g i n s i n g l e - t r a c k l a s e r - c l a d c o a t i n g s c a n b e c o n t r o l l e d s u c c e s s f u l l y . i t s f u r t h e r d i ff i c u l t t o c o n t r o l t h e c r a c k i n g i n m u l t i p l e - t r a c k l a s e r - c l a d c o a t i n g s t h a n t h a t i n s i n g l e l a s e r - c l a d c o a t i n g . s o , i t i s s t i l l o n e o f t h e a d v a n c e d r e s e a r c h f i e l d t o i n v e s t i g a t e t h e c r a c k i n g b e h a v i o r i n l a s e r - c l a d c o a t i n g s . i n o r d e r t o u n d e r s t a n d t h e r e a s o n o f c r a c k i n g i n la s e r - c l a d c o a t in g s a n d t o s u p p r e s s t h e c r a c k i n g p r o b l e m , t h e c r a c k i n g b e h a v i o r , i t s i n fl u e n c e f u n c t i o n s r e a s o n s a n d t h e t h e r m a l m e c h a n i c s b e h a v i o r d u r i n g p r o d u c i n g h a v e b e e n s t u d i e d i n t h i s p a p e r . 、，. t h e m u l t i p l e - t r a c k e d l a s e r - c l a d c o a t in g s , t h e m i c r o s t r u c t u r e s e v o l v e f ro m p l a n a r , d e n d r i t e s t o d e n d r i t e s . t h e mi c r o s t r u c t u r e i n c h a r a c t e r i s t i c s , t h e d e n d r i t e s i n t h es u c c e s s i v e t h e .o v e r l a p p i n g r e g i o n s s h o w e d t r a c k d e v e lo p e d o n t h e s e c o n d d e n d r i t e s o f p r io r t r a c k . a ta l a s e r s c a n n i n g s p e e d o f 2 m m / s , d e n d r i t e - l i k e e u t e c t i c o c c u r r e d i n t h e o v e r l a p p i n g re g i o n o f n i c k e l b a s e d a ll o y wf 2 0 1 . ，t h e l a s e r - c l a d d i n g p a r a m e t e r s h a v e d i s t i n c t iv e e ff e c t o n t h e c r a c k i n g s u s c e p t i b i l i t y . t h e c r a c k i n g p a tt e r n s a r e s i m p l e l i n e w h i l e c l a d d i n g a t l o w s c a n n i n g v e l o c i t y . t h e c r a c k w i l l f u r c a t e a t a h i g h e r l a s e r c l a d d i n g s p e e d . t h e e f f e c t s o f l a s e r c l a d d i n g s p e e d o n t h e c r a c k i n g s u s c e p t ib i l i t y a r e v e ry d i ff e re n t t o n i c k e l - b a s e d c o a t i n g s a n d c o b a l t - b a s e d c o a t i n g . i t i s n e c e s s a ry t o p r o d u c e t h e n i c k e l- b a s e d c o a t i n g s a t l o w la s e r s c a n n i n g s p e e d , b u t t o l a s e r - c l a d c o b a l t - b a s e d c o a t i n g s , i t i s a p p r o p r i a t e a t a m e d i u m v e l o c i t y , f o r e x a m p l e , 8 m m / s . t h e c o a t i n g t h ic k n e s s j u s t a ff e c t t h e c r a c k i n g s u s c e p t i b i l i t y , a n d d o e s n t a ff e c t t h e c r a c k i n g p a tt e r n s . t h e re i s a c r i t i c a l t h i c k n e s s h e r e l a t e d w i t h a s p e c i a l l a s e r s c a n n in g s p e e d w h e n t h e c r a c k s o c c u r r e d . t h e fr a c t o g r a p 妙 s h o w a p e r i o d i c c h a r a c t e r i s t i c , a n d c o m p o s e o f h i g h t e m p e r a t u r e a n d l o w t e m p e r a t u r e r u p t u r e f e a t u r e . t h e c r a c k i n g s u s c e p t ib i l i t y i n c r e a s e d d r a m a t i c a l l y a n d t h e c r a c k f u r c a t e d w h i l e e n h a n c i n g t h e l a s e r - c l a d c o a t i n g s w i t h c e r a m i c p a r t i c l e s , s u c h a s wc . w i t h t h e c o n t e n t o f wc p a rt i c l e s i n c re a s i n g , t h e c r a c k i n g s u s c e p t i b i l i t y i n c r e a s e d , a n d t h e c r a c k p a tt e rn s a r e n e t - l i k e . i n t h e wc p a r t i c l e s e n h a n c e d l a s e r - c la d c o a t i n g s , c r a c k s c a n i n i t i a t e d a t t h e c o a t i n g / s u b s t r a t e i n t e r f a c e a n d wc p a r t i c l e b o u n d a r y . t h e f r a c t o g r a p h y s h o w s o m e b r i tt l e c h a r a c t e r i s t i c . b a s e d o n t h e s u p e r p o s i t io n p r i n c i p le , t h i s p a p e r p r o p o s e d a m e t h o d t o d e t e r m i n e t h e i ii 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 t h e r m a l r e s i d u a l s t r e s s e s o f l a s e r - c l a d c o a t i n g s w it h t e x t u r e d m i c r o s t r u c t u r e , a n d g o t t h e c a l c u l a t i o n e q u a t i o n : 。 _ (z) = (h - za _ (z ) - 、r7 d q ( z ) 击 ， 、(h 一 二 ) d . -,o (z ) (t r v i = 一 万 -一 d z s t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s m e a s u r e d b y x - r a y d i ff r a c t i o n s h o w e d t h a t , l o n g i t u d e a n d t r a n s v e r s e t h e r ma l p a r a m e t e r s s h o w t h e r ma l r e s i d u a l r e s i d u a l s t r e s s e s ( a , a 刁a r e b o t h t e n s i o n s t r e s s e s . l a s e r c l a d d i n g s t r o n g e ff e c t o n t h e m . wi t h t h e l a s e r s c a n n i n g s p e e d i n c r e a s i n g , t h e s t r e s s e s i n c r e a s e d . t h e r e e x i s t e d a t e n s i o n s t r e s s p e a k a n d s t r e s s p e a k a t t h e c o a t i n g s s i d e a n d t h e r e s i d u a l s t r e s s e s i n c r e a s e w it h t h e c o a t i n g h e a t a ff e c t e d z o n e r e s p e c t i v e l y c o mp r e s s i v e t h e t h e r ma l t h i c k n e s s i n c r e a s i n g , p a r t i c l e s c a n r e d u c e t h e r m a l r e s i d u a l s t r e s s e s o f t h e c o a t i n g s , a l s o . t h e e n h a n c e d w c b u t d o e s n t c h a n g e t h e i r d i s t r i b u t i o n f e a t u r e . t h e s o l i d i f y i n g t e m p e r a t u r e s r a n g e f o r wf 2 0 1 , wf 2 1 8 a n d wf l c - 1 1 a r e 7 0 , 5 0 a n d 2 0 0 c , r e s p e c t i v e l y . t h e fl u i d it y o f wf 2 0 1 o r wf 2 1 8 i s b e tt e r t h a n t h a t o f wf l c - i 1 . t h e c o e ff i c i e n t o f t h e r m a l e x p a n s i o n i s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e . t h e m a t c h in g f e a t u r e b e t w e e n c o a t i n g a l l o y a n d s u b s t r a t e a r e v a r i e d a t d i ff e r e n t t e m p e r a t u r e a t h r e e - d i m e n s i o n a l u n s t e a d y - s t a t e n u m e r i c a l m o d e l f o r t e m p e r a t u r e a n d t h e r m a l s t r e s s f i e l d a n a l y s i s d u r i n g l a s e r - c l a d d i n g p r o c e s s i n g w it h a m o v i n g h e a t s o u r c e i s g i v e n f o r t h e f i r s t t i m e . t h e t h e r m o - m e c h a n i c a l p r o c e s s i s s t u d i e d i n d e t a i l . t h e l a s e r b e a m a c t e d r e g i o n b e a r d i s t r i b u t i o n a n t h e r m a l i m p a c t a t a h e a t in g s p e e d o f 3 .0 x 1 0 5 0c i s a l o n g t h e c o a t i n g t h i c k n e s s d e c r e a s e d m o n o t o n o u s l y , b u t t h e t h e t e m p e r a t u r e t h e r m a l g r a d i e n t b o u n d t o s o mee x t e n t w h i l e c l a d d i n g wf 2 1 8 a l lo y o n c o a t i n g p r o c e s s i n g , t h e s u b s t r a t e s g o t wa r m - u p , a n d t h e a 3 s t e e l s u b s t r a t e . d u r i n g t h e c o a t i n g s t e m p e r a t u r e v i b r a t e d . t h e t e m p e r a t u r e g r a d i e n t i n c r e a s e d w i t ht h e in c r e a s i n g o f l a s e r s c a n n i n g s p e e d . wh il e c l a d d i n g o nt h e f e - b a s e d , c u - b a s e d a n d a l - b a s e d s u b s t r a t e s a t t h es a me p r o c e s s i ng p a r a m e t e r s , l a s e r - m o l t e n p o o l i se a s i e s t o n t h e f e - b a s e d s u b s t r a t e , a n d t h e t e m p e r a t u r e g r a d ie n t d i s t r i b u t i o n a l o n g t h e c o a t i n g wi t h t h a t o f c u a n d al - b a s e d s u b s t r a t e s . t h i c k n e s s s h o w d i ff e r e n t c h a r a c t e r i s t ic c o m p a r e d be c a u s e o f h e a t u p p e r l a y e r . d u r i n g i m p a c t i n g , t h e r e e x i s t l a r g e t r a n s ie n t t h e r m a l s t r e s s e s o n t h e c o a t i n g s m o l t e n a l l o y s o l i d i f y i n g , t h e l o n g it u d e t h e r m a l s t r e s s e s a r e t e n s i l e a l l t h e t i m e , b u t t h e t r a n s v e r s e t h e r m a l a r e d e v e l o p e d fr o m c o m p r e s s iv e t e n s i l e s t a t e . s o , t h e c o a t i n g c r a c k s i n it i a t e d a n dp r o p a g a t e d u n d e r t h e l o n g it u d e w it h 。，la s e r s c a n n in g s p ee d a n d c o a t in g th ic k n e s s in c r e a s in g , b o t h t h e t ra n s ie n t s t a t e t o s t r e s s e s t h e r ma l 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 s t r e s s e s a n d t h e r m a l r e s i d u a l s t r e s s e s i n c r e a s e d s tr o n g l y . b a s e d o n t h e e x p e r i m e n t a l a n d n u m e r i c a l r e s u l t s o f t h e r m o - m e c h a n i c s d u r i n g l a s e r - c la d d i n g p r o c e s s , t h e c o n c e p t o f m a t e r i a l s c o n s i s t e n c y f o r l a s e r - c l a d c o a t i n g s d e s i g n w a s p r o p o s e d f o r t h e f i r s t t ime , i t s h o u ld e n c l o s e c h e m i c a l c o n s i s t e n c y , m i c r o s t r u c t u r e c o n s i s t e n c y a n d油y s i c a l c o n s i s t e n c y . t h e d e s ig n p a r a m e t e r f o r l a s e r - c l a d c o a t i n g s is t h e r m a l s t r e s s f i e ld in t h e c o a t i n g s . d u r i n g p r o c e s s i n g , t h e s t r e s s e s s h o u l d b e u n d e r t h e l e v e l o f m a t e r i a l s b r o k e n s t r e n g t h . t h e e x a m p l e t o d e s i g n wf 2 1 8 a l l o y c o a t i n g s o n a 3 s t e e l s u b s t r a t e p r o v e d t h a t c o n s i s t e n c y t h e o ry a n d m e t h o d a r e v a l u a b l e a n d r e l i a b l e k e y w o r d s : l a s e r c l a d d i n g r e s i d u a l c r a c k i n g s u s c e p t i b il i t y c o e f f i c i e n t o f t h e r m a l e x p a n s i o n s t r e s s e s u n s t e a d y - s t a t e t e m p e r a t u r e fi e l d a n d t h e r m a l s t r e s s e s f i e l d c h e m i c a l c o n s i s t e n c y mi c r o s t r u c t u re c o n s i s t e n c y p h y s i c a l c o n s i s t e n c y 叮. 马一 r -丁一一 华 中 科一 技 大 学 博 士 学 位 论 文 第一章绪论 1 . 1 课题的背景、目的和意义 疲劳、腐蚀、摩擦和磨损引起的工程构件的失效大多发生在表面，这一现象促 使材料科学工作者对材料表面的极大关注，并促使材料表面改性技术的迅猛发展。 人们希望在材料整体保持足够的韧性和强度的同时，使材料表面获得较高的、特定 的使用性能，如耐磨、耐蚀和抗氧化等v -3 1 激光由于其优异的性能，越来越广泛地应用到军事、通信、医学和工业等领域。 激光技术在材料科学中的应用使得材料学科无论在理论还是在工艺方面均获得重要 的进展。激光的引入，使得材料工作者可以根据应用背景来进行更广泛意义上的材 料设计:激光的引入，也使得材料加工工艺前进了一大步;同时，激光的引入又不 断地给材料工作者提出新的研究课题。 激光表面改性技术包括激光表面相变硬化，激光表面合金化、激光熔覆和激光 冲击硬化等，其中激光表面合金化和激光熔覆是通过改变表面成分和组织来实现强 化目的。利用高功率激光表面强化的好处在于节约具有战略价值和昂贵的合金元素、 形成非平衡相和非晶态、晶粒细化、微观结构均匀化、提高合金元素的固溶度和改 善铸造零件的成分偏析等。 激光表面改性技术诞生已有二十多年的历史，各方面己取得长足的进展，如激 光表面淬火技术在汽车缸套的表面强化方面取得了显著的效益。但是目 前激光表面 合金化和激光熔覆技术的推广并未达到人们所期望的效果。主要的原因是激光表面 合金化和激光熔覆中常常出现裂纹等问题。这有待于材料科学工作者更进一步深入 研究激光表面强化的基础理论和应用技术。 本课题是 “ 九五”国家攻关项目 ( 合同编号 9 6 - a 2 2 - 0 4 - 0 4 )的组成部分，并得 到了 激光技术国家重点实验室开放基金的资助 激光熔覆组织特征及其对熔覆层开裂性的影响 本研究的目的在于，研究多道搭接 研究熔覆层合金的性能及激光熔覆 工艺对熔覆过程中的热应力和熔覆层残余应力的影响规律，在此基础上建立激光熔 覆涂层的设计原则，为制定激光熔覆工艺方案和控制熔覆层质量提供依据。 本研究属激光熔覆领域的前沿课题 此，本课题在学术上具有开创性，同时 层开裂，具有重要的工程应用价值。 ，有关内容的研究还是空白或刚刚开始。因 ，在工程中涂层设计、优化工艺和控制熔覆 _ 一一一一. - - -叫 . ， ， .一一一一一卜种一-，一- 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 . 2 激光熔理层材料体系、组织、结构与性能的研究现状 激光表面溶覆和激光表面合金化是通过表层合金的设计，使工件获得较高的使 用性能 ( 包括物理、化学等方面) ，如耐磨、耐蚀和隔热等。激光表面强化层的性能 取决于强化层的组织和相组成，而其化学成分和工艺参数又决定了表层的组织和结 构。 激光熔覆和表面合金化层组织结构大体上分为三部分:熔化区、过渡区及热影 响区。不同的合金成分及工艺条件下其具体形态有一定的差别。激光熔覆合金体系 主要有铁基合金、镍基合金、钻基合金和金属陶瓷等。激光涂覆铁基合金适于要求 局部耐磨且容易变形的零件。铁基合金深层的基材多用铸铁和低碳钢;熔覆镍基合 金适于要求局部耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的构件，所需的激光功率密度要比涂覆 铁基合金的略高;钻基合金涂层适于要求耐磨、耐蚀和抗热疲劳的零件:陶瓷涂层 在高温下有较高的强度，且热稳定性好，化学稳定性高，适用于耐磨、耐蚀、耐高 温和抗氧化性的零件，所用基体材料广泛，有碳钢、合金钢、铸铁以及铝合金、铜 合金、镍基高温合金等。 此外，材料科研人员还开发了铜基合金、银基合金、非晶态和准晶涂层。 1 . 2 . 1涂层合金体系 1 . 2 . 1 . 1 镍基合金 镍基合金的合金化原理4 是运用钥、 钨、铬、 钻、铁等元素进行奥氏体固溶强化; 运用a l , t i , n b , t a 获得金属间化合物￥ 相沉淀强化;添加b , z r , c o 等元素实 现晶界强化。激光熔覆镍基合金粉末的合金元素选择也是基于以上几个方面来选择 的，但考虑到激光熔覆工艺的特点，合金元素的添加量有所差别。 文献【 5 在 y 4模具钢上涂覆镍基合金时的合金元素为c r , f e , m o , w , b , s i 和 c ，从其合金元素选择不难发现其强化方式主要是固溶强化，b , s i的加入可以改善 工艺性能6 )碳的加入可以获得一定的碳化物，形成弥散强化相， 进一步提高其耐 磨性，文献【 7 在h 1 3 基体上分别熔覆两种不同成分的镍基高温合金，均得到了基体 y 相十 弥散分布碳化物颗粒+ 共晶组织，区别在于弥散颗粒和共晶组织中的碳化物相， 其中m c r a i y的性能最好，其涂层硬度随温度升高下降较缓，表明稀土元素对热稳定 性镍基高温合金的有利。此外，稀土元素对合金高温抗氧化性、耐硫腐蚀等也均有 重要作用。为提高涂层的耐磨性，研究表明添加一定量的碳化物可显著提高涂层的 耐 磨 性a l . 熔 覆n i 基高 温合金 + 3 0 % ( v o l . ) 叽， 得到的 组 织为:y 基 体上 分布3 - 6 r m 的 质 点( 球 形 或 短 棒 状 )，还 有 细 小 的 片 状 共 晶 组 织 ， 球 形 质 点 为( w , t i ) 仁 上 竺 2 一 一， - -月 尸， 了 一 -一 一一一 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 棒 状 质点 为w z c 和w c ， 共晶 组 织中 存m ,z c 型碳 化物 ( f e , c r , n i , c o ) fi ( w , 氏 f e ) , 由 于基体的 稀释作用，下半区的m ,z c 要比 上半区多，由于w c 颗粒在涂覆过程中 存在 着溶解和重新析出，使得第二相质点呈现多种形态，如棒状、球状、甚至片状共晶 城 荞的出 现， 这必然影响到涂覆层及基体的 组织和结构9 1 。 在结合区组织方面， 文 献 1 0 对基材为4 5 钢和4 c r b 进行涂覆n i 基合系列试验。组织观察发现，扫描速度 及添加的陶瓷相的类别 ( 可溶、部分溶解及熔化后不互溶)对微观组织、结合区组 织和形态有很大影响。 在铝合金基体上熔覆镍基耐磨合金方面， 文献 1 1 在 z l 1 0 9上分别研究了 三种 不同成分的涂层 n i 4 5 b , n i 4 5 b + 凡和 n i 4 5 b + s i得到了 等轴晶+ 少量柱状晶组织，其 相组成特别复杂。 研究表明， 加入r 。 和s i 对提高形 核率 ( 变质作用) 有一定效果。 表1 . 1 中给出了 激光熔覆镍基合金的成分设计实例。 表1 . 1 熔理镍基合金应用的 几个实例 1 . 2 . 1 . 2 钻基合金 激光熔援钻基合金主要用于钢或铁基合金基体上。钻基合金的成分设计上，品 种比较少， 所用的合金元素主要是c r , w , f e , n i 和c ， 此外添加 b , s i以形成自 熔合金。下表1 . 2 列出了其应用的几个实例。 表 1 .2 熔理钻基合金应用的几个实例 在2 c r l 3 基材上涂覆s t e l l i t e 合金 1x 1 时， 熔覆层的结构分为三层: 区和热影响区。合金层的组织为粗细不均匀，且方向紊乱的树枝晶: 合金层、过渡 热影响区在去 应力退火前为马氏体组织，去应力退火后为保持马氏体位向的回火索氏体。 3 4 c r n i 3 m o , s 等钢的研究表明， 钻基合金是最佳的选择。 对 y 4和 _一一一一一一一 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 . 2 . 2增强颖粒性质及其行为 熔援层选用的增强颗粒，按其性质可分为三种类型:金属键类，共价键类和离 子键类，它们的性能比较见表 1 .3 。文献 1 4 中系统地研究了过渡族元素的碳化物和 抓化物的性质，从i v 族到v i 族的过渡族金素的碳化物室温下的硬度下降、红硬性增 加，韧性增加，且与 f e , c o , n i 的润湿角递减，在 f e , c o , n i 中的溶解能力递增。 不同的碳、氮化物之间，在高温下能互溶，在室温下将发生调幅分解。不同元素的 碳化物或氮化物在一定的混合比下，显微硬度将出现峰值。在显微硬度与价电子深 度之间存在一定的关系。 增强颗粒在激光熔覆过程中将发生溶解、析出及长大，这些对熔覆层的微观组 织、形态有很大影响i 1 5 - 1 9 1 ，从而影响到最终的性能。 未溶颗粒相的行为，影响到其最终的分布形态。文献 1 5 研究了 t i n颗粒在y - n i 初晶内及枝晶间的分布形态， 认为是熔池内液相的粘度、 液一 固界面生长速度、 t i n 颗粒的原始尺寸以及颗粒一液相之间界面能差的综合作用结果。t i n颗粒尺寸越大、 液一固界面生长速度越大，颗粒越容易被捕获而分布在初晶内，反之会被液一固界 面推移，分布在枝晶间。文献【 1 9 中的研究也表明，熔池中的对流性质、t i c颗粒 与固液界面间以及颗粒与颗粒之间的相互作用和微区的冷却速度及生长方向决定了 颗粒的分布形态。 文献【 2 0 1 中导出了 颗粒在固 一液界面前沿移动的临界速度 蛛，当 晶粒生长速度 ;/, v , ., 时颗粒在颗粒内部分布 ( 被捕获) ， 否则当晶粒生长速度 v ( - v , 时 颗粒在枝晶之间分布。其判据为: k, = a - 口 。 1 2 r l a r ( 1 - 1 ) 表 1 . 3 三种类型颗粒相的性能比 较n n h a s e 硬度脆性熔点 稳定性 ( 一 g ) 热膨胀 系数 润湿性 化学反 应活性 分层倾 从宁1 mc mt 丁工h 了土m mc 百工c cm 一i 曰m一 i一一 c 一- c 一一 附注: m- m e t a l l i c , c - c o v a l e n t , - i o n i c 由高到低 在其它体系的复合镍基合金涂层中，颗粒相分布将更为复杂，文献【 2 1 研究了 n i - c r / a 2 0 3 复合涂层， a 1 z 0 1 颗粒的 行为 可分为两 个阶段， 第一阶段 a 1 s 0 s 颗粒被 涂 层 金 属 捕 获 ， 第 二 阶 段 才 涉 及 到a 1 z 0 a 在 途 星越丝选鱼查透上卫且业匙艇鳗注 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 要有同 步送粉时， a l , 仇颗粒所获得的 动能，以 及激光扫描 速度。 其影响关系曲 线如 图1 . 1 ( 2 1 1 所示。 叱砚芍七畏吕 月叱之七七鑫色0 认，020 . 3 p o w d e r 加 ie d r a t e 的 ) 61 0 i s 2 0 25 t r a v e r s e s p e e d ( m m l s ) a ) 图1 .1 a 1 2 仇含量与a ) f i g . 1 . 1 c o n te n t o f a 1 2 0 3 v s . b ) 送粉速度及b )扫描速度的关系 a ) p o w d e r f e e d r a t e a n d b ) t r a v e r s e s p e e d 有些增强颗粒相存在同素异构转变，即随着温度的变化产生晶体结构的变化。 其中有的转变是不可逆的，如y - a 1 2 o 3 - a 一a l , 仇 ，。 - s i , n 4 -p - s i 3 n , 和a - s i c 0 - s i c 等;而有些转变是可逆的，如: c - z r 0 2 -t - z r o 2 -m - z r o 2 -由于化学成分及温度、 加热冷却速度不同 时，为 c - z r 0 2 相， 型，结构最紧密、 a 1 2 0 3 2 0 1 . 。相变以不同方式进行，当 z r o : 中加入 y 夕 ， 的 含量达到 1 4 % m o 1 其它 转变被 抑制 1 5 1 ，同 样。 - a 1 2 飞为同 分异 构体中 性 能最 好的 晶 活性低，具有优良的机械性能。可利用其不可逆相变预先制备。 - 1 . 2 . 3激光熔筱材料的设计 激光熔覆材料的选用大多数来源于热喷涂材料 于激光熔夜工艺的特点， 适用于热喷涂工艺的材料， ，或在此基础上作成分调整。由 在激光溶覆工艺中未必适用2 2 1 不同熔覆材料所适用的基材范围也应有所区别，如镍基涂层材料可用于碳钢、 钢、铸铁及铝合金等的表面涂覆，但对于一定工作环境下，对某一基体而言， 合金 存在 一最佳涂层合金 6 j 1 1 激光熔覆层与基材匹配原则方面，考虑涂层与基材的热膨胀系数对涂层的结合 强度，抗热展性能，特别是抗开裂能力的影响。目 前，大多数研究集中在激光熔覆 一 一 一 一 一 . 目 . 口 . . . . . 层与基材热膨胀系数的匹配上进行熔覆材料的选择及成分设计。传统的观点认为， 为防 止涂 层开 裂和 剥落， 涂 层和基 材的 热 膨胀系 数应 满足同 一 性原 则， 即 二者 应尽 可能接近(2 2 (2 4 ， 考虑到激光熔覆工艺的 特点， 基材和涂层的加热和冷却过程不同 步， 实验研究也表明，熔覆层的热膨胀系数在一定范围内越小， 熔覆层对开裂越不敏感。 为此，文献【 2 5 给出激光熔覆层与基材热膨胀系数的匹配原则。 一 a : ( 1 - r ) / ( e. a t ) i , 时， 上式就可以 简化为s t o n e y 所给出 的公 式。 文献 6 8 给出了计算熔覆层热应力计算公式: ， _ e- d a x e 乃i ,h 一/ ( 1 一 y ) ( 1 - 1 1 ) 考查后续退火工艺的影响， 对上式进行修正， 得到16 9 1 : 。 一 “ .(0 a 十 朴 % 一 : ) ( 1 - 1 2 ) 从理论分析模型中 可以 发现， 涂层的 应力性质可以 是拉 应力， 也可以是 压应力， 这取决于熔覆材料体系中热膨胀系数的相对大小。 由于激光熔覆过程的复杂性，过分简化了的力学模型无法准确预测熔覆层的应 力分布，从而使得控制熔覆层的质量和性能十分困难。随着计算技术和手段的迅速 发展，激光熔覆过程的数值模拟成为可能，并越来越重要。表 1 .4中列出了有关表 层热应力和残余应力的 妞 i m , 卫4 1 j， 一 一一一- 一一 一 气 一 一 了 甲 - - - 一一一 一 表 1 . 4 有关表层热应力和残余应力的研究 参 考 文 献 物 理 模型 本 构 关 系 相 变 计 算 方 法 7 0 1 二维，焊接，高斯分布热源，材料各向同 性，应变强化，材料性能与温度有关 粘弹塑性马氏体